Appunti Scienza dei materiali - secondo parziale

Per evitare le cricche si usano delle soluzioni polimeriche dove raffreddare il pezzo poco

più lentamente

Tempra scalare

Limita le distorsioni dovute alla tempra classica

- Riscaldamento sopra Ac3

- Permanenza – quasi un trattamento isotermo, ma senza arrivare alla formazione di

bainite o altre fasi intermedie

- Raffreddamento a una temperatura vicina alla critica

Vantaggi:

- Trattamento che consente di raggiungere la struttura martensitica

- Al contempo riduce le cricche che si formerebbero per tempra classica

Tempra bainitica (isotermica/intermedia)

- Riscaldamento sopra Ac3

- Raffreddamento fino ad una temperatura intermedia, rapido da non formare perlite,

poi Permanenza per un tempo sufficiente a trasformare tutta l’austenite in bainite

o (bainitica)

Permanenza per un tempo tarato per formare una quantità voluta di bainite

o (intermedia)

Rallentamento del raffreddamento

o 16

- Infine raffreddamento fino alla temperatura ambiente

Temprabilità

Definita come l’attitudine di un acciaio ad avere una struttura martensitica, quindi ad

accrescere la sua durezza: questo è dipendente in gran parte dal tenore di carbonio

La temprabilità si esprime mediante la profondità (= metri) a cui arriva l’indurimento o la

penetrazione di tempra

La profondità dello strato temprato è definita come la distanza dalla superficie dalla zona

con 50% di martensite e 50 % di perlite (o altri cristalli), e viene facilmente identificata

da uno studio micrografico o dalla prova di microdurezza

Funzione della profondità

È importante sapere in quali punti del pezzo (profondità) si arriva sotto o sopra la velocità

critica di tempra, in modo da avere lo strato martensitico

La profondità di tempra dipende da

- Composizione chimica

- Dimensione del grano iniziale austenitico

- Drasticità del trattamento, ovvero l’insieme di permanenza ad alta temperatura

(ingrossamento grano) e dell’effetto sulle curve CCT

- Diametro del provino (= quanto materiale c’è da trattare)

La soluzione più semplice per ottenere una elevata penetrazione di tempra è l’utilizzo di

acciai legati, ma è anche la soluzione più costosa (alto prezzo dell’acciaio legato)

Prove Jominy – prove di temprabilità

La prova consiste nel raffreddare, mediante un getto di acqua, l'estremità di un tondo

dell'acciaio da esaminare portato alla T di tempra, e misurare, poi, a raffreddamento

avvenuto, la variazione di durezza dall'estremità raffreddata all'altro estremo

Ovviamente il provino è normato per geometria e dimensione

Le prove Jominy hanno correlazione tra i risultati del profilo di durezza lungo il campione e

la curva corrispondente (figura)

- Le curve sono diverse anche a seconda della composizione in carbonio e in

elementi di lega 17

- A seconda poi della pendenza della curva si dice del pezzo più o meno temprabile,

ovvero “assorbe” più o meno tempra

La temprabilità (= assorbimento di tempra) della curva 1 cala rapidamente, ovvero la

durezza non è “entrata” in lungo nel pezzo: nell’acciaio 2 invece si, infatti il primo tratto alto

è più lungo in 2 che in 1

La prova Jominy serve come metodo di confronto per determinare un acciaio da impiegare

per un certo utilizzo

Più un acciaio è ricco in carbonio ed elementi in lega, più quell’acciaio è temprabile

Rinvenimento

- Riduce le tensioni interne, non porta a modifiche strutturali

- Spesso operato dopo la tempra (= trattamento complessivo di bonifica), per ridurre

di poco le tensioni interne

Diagramma di rinvenimento

Per un acciaio 40 NiCrMo 2: 18

Descrive i carichi limite e l’allungamento e strizione percentuale, e la resilienza, al variare

della temperatura raggiunta nel processo

Si usa quindi per determinare la temperatura alla quale fare il processo, per determinare

certe caratteristiche meccaniche

Bonifica

È il trattamento termico complessivo di tempra + rinvenimento, e mira a risanare tutti i

problemi che si ottengono da tempra, come fragilità e struttura martensitica. La

temperatura di rinvenimento deve stare sotto ai 600°C, o comunque sempre al di sotto

della temperatura Ac1

- Miglioramento caratteristiche meccaniche

- Riduzione sensibile di durezza, perché si va ad eliminare la martensite residua

- Aumento di tenacità -> resilienza maggiore

Stadi del processo

Primo stadio (100 – 250 °C)

Si passa da martensite ottenuta con la tempra a martensite + carburi (diminuzione di

durezza e tensioni)

Secondo stadio (fino a 300 °C).

L’austenite residua (quella che non è diventata martensite) si trasforma in bainite

- Leggero aumento di durezza, in quanto la bainite è più dura dell’austenite 19

Terzo stadio (300 – 400 °C)

Si forma ferrite e cementite lamellare

- Diminuzione significativa di durezza dovuta alla cementite lamellare (ovviamente

meno dura della martensite), con aumento di duttilità

Quarto stadio (450 – 600 °C).

Sferoidizzazione della cementite, quindi formazione successiva di sorbite

La sorbite è una struttura globulare di ferrite e cementite, con una durezza sensibilmente

più bassa della martensite

Effetti del trattamento di bonifica

L’obiettivo principale del trattamento di bonifica è ridurre le tensioni interne di un pezzo

dovute alla presenza di martensite -> martensite rinvenuta, ovvero sorbite (con differente

posizione delle lamelle), ma con proprietà simili

Nel grafico sotto è riportato l’ effetto della temperatura di rinvenimento sulle caratteristiche

meccaniche di un acciaio allo 0.4% di carbonio

Tempering = rinvenimento, non tempra 20

Classificazione acciai

Proprietà derivanti dagli elementi in lega

- O, P, S, H: ruolo negativo nelle proprietà derivanti: peggiorano le proprietà

meccaniche e qualsiasi tipo di resistenza, formano ossidi (ruggine, nitruri…) che

infragiliscono il pezzo

- Ni (simile Mn): elemento che favorisce la lavorabilità della lega, fa diminuire le

velocità critica, quindi favorisce la temprabilità e la penetrazione di tempra, aumenta

la tenacità a parità di carico di snervamento. Eventualmente usato Mn, costa molto

meno

- Co: produce un acciaio che non si ossida (inox, hs), rende più stabile l’austenite,

ma fa diminuire la penetrazione di tempra

- Cu: migliora le caratteristiche a caldo (resistenza allo scorrimento)

- N: aumenta leggermente carico massimo, allungamento percentuale e strizione, e

stabilizza l’austenite

- Cr (simile Mo): elemento alfageno per eccellenza, dà stabilità e non fa ossidare la

superficie (cromatura), aumenta la temprabilità

Designazione alfanumerica degli acciai – UNI EN 10027-1

Gruppo 1

Sono acciai designati in base all’impiego (costruzioni, acciai da bonifica, …) o alle

caratteristiche meccaniche

La designazione prevede:

- Un simbolo principale (lettera), che indica la caratteristica meccanica o fisica

oppure l’impiego

- Un numero pari alla valore minimo della proprietà meccanica o fisica indicata 21

22

Lettere ausiliarie

Per indicare una resilienza minima di quell’acciaio vengono applicate in fondo alla

designazione le lettere J, K, L per indicare 27, 40, 60 Joule di resislienza (risp.), insieme

ad un numero che indica la temperatura di test

Es. S255J0

Gruppo 2

Gli acciai del gruppo 2 sono classificati in sottogruppi in base al tenore di un elemento in

lega

Sottogruppo 1: tenore di Mn minore di 1%

Lettera C seguita da un numero, che indica il tenore di carbonio in lega moltiplicato 100

Sottogruppo 2: tenore di Mn superiore a 1, tenore complessivo dei leganti minore del 5%

Numero che indica la percentuale di carbonio, poi i simboli chimici degli elementi in lega,

seguiti dai numeri che indicano le percentuali in lega di questi elementi, in ordine,

moltiplicati per un fattore

Il numero può anche essere omesso se la percentuale è molto bassa e non può essere

rappresentato

Es. 42CrMo4 = 0,42% di carbonio, con tenore di cromo dell’1%, e tenore di molibdeno non

specificato, perché molto basso

Sottogruppo 3: acciai alto legati, in cui almeno un elemento ha tenore maggiore del 5%

Lettera X, poi tenore di carbonio moltiplicato 100, poi simboli chimici e numeri puri senza

moltiplicatori, che indicano le concentrazioni, messi in ordine decrescente

Es. X10CrNi18-8: acciaio con 0,1% di carbonio, e 18% di cromo e 8% di nichel 23

Sottogruppo 4: acciai rapidi

Lettere HS (high speed), poi percentuali in ordine di W, Mo, V, Co

- Se non è specificato il tenore vuol dire che non c’è quell’elemento

Es. HS 18-0-1, acciaio rapido con 18% di W, 0% di Mo, 1% di V, e 0% di cobalto

Designazione numerica

È una designazione pensata per tutti i materiali metallici

- Numero 1, che indica acciaio

- Un .

- Primi due numeri indicano se si tratta di acciaio legato, non legato, di base, di

qualità, speciale

- Altri due numeri che sono progressivi dell’acciaio

Designazione pratica

Acciai da costruzione di uso generale

L’unica caratteristica voluta per un acciaio di questo tipo è la garanzia di un limite di

snervamento minimo, in genere minore di 500Mpa, e un basso rapporto

Ottenuti tramite:

- Affinamento del grano mediante precipitati fini

- Incrudimento per deformazione plastica a freddo

- Rafforzamento per soluzione solida (Mn, Si)

- Rafforzamento per dispersione di precipitati (in presenza di Nb, Ti, V)

- Presenza di bainite e/o martensite

Acciai da costruzione speciali

Un acciaio è detto speciale se vengono selezionate le composizioni dei singoli leganti

in base alle proprietà meccaniche che si vuole ottenere 24

Acciai da bonifica

- Sono gli acciai più comunemente usati

- Sono detti “da bonifica” perché vengono effettivamente sottoposti al trattamento di

tempra + rinvenimento

- Il trattamento fa avvenire la trasformazione in martensite e poi un rilassamento delle

tensioni interne

- Le caratteristiche meccaniche ottenute sono molto alte sia in termini di durezza

che di resistenza allo snervamento e alla fatica

Acciai da cementazione

- La cementazione è un trattamento che prevede la diffusione di carbonio

monoatomico in un piccolo strato superficiale per aumentarne la resistenza a

strisciamento e scorrimento a freddo, mantenendo un cuore tenace con le proprietà

solite di un acciaio (vedi capitolo sotto) -> percentuale di carbonio in lega molto

basso, in modo da favorire il gradiente di concentrazione in superfici